低温流体微重力池沸腾气泡脱落特性研究

研究微重力下的气泡动力学行为及其脱落特性是揭示微重力下流体沸腾换热机理的基础,而气泡处于空间复合弱力环境下,表现出不同于常规的特殊现象。以微重力下平板加热面上氢沸腾气泡为对象,展开了受力分析,考虑到Marangoni效应的影响,构建了受力平衡模型,进一步计算并分析了不同重力、压力、流体过冷度、壁面过热度下的气泡脱落直径。研究结果表明,当重力降低至某一临界值后,沸腾气泡存在3个不同尺度的脱落直径,且重力水平越低,气泡最大脱落尺寸越大,直径最大可达几十厘米。在常重力下,沸腾气泡仅存在0.01~0.1mm量级的脱落直径,压力对常重力与微重力下气泡脱落直径的影响差异显著,随着压力的升高,常重力气泡脱落直径不断减小,而微重力下最大气泡脱落直径有所增大;在微重力下,流体温度越低则过冷度越大,因此气泡最大脱落直径也越大,液氢过冷度每提高1K,最大气泡脱落直径增大约10%。当重力一定时,存在临界壁面过热度,且只有当壁面过热度超过该临界值时,沸腾气泡才会存在3个脱落直径。当压力越高、流体温度越低时,该临界过热度越小。

电场作用下沸腾气泡行为实验

为了进一步探讨电场对沸腾传热强化机理,以水为实验工质,实验研究了电场作用下沸腾单个气泡的行为特性。通过直接加热法产生单个沸腾气泡,并利用高速摄像机拍摄观察了不同热流密度和电场强度组合工况下气泡的生长过程,并对该过程中对电场作用下气泡的脱离形态、周期和长径比等行为特性变化进行了相关定性分析,根据实验结果和相关定性分析,进一步合理阐释了电水动力学强化沸腾传热机理。结果表明:外加电场工况后,电场对沸腾气泡的脱离形态有显著的影响,气泡沿场强方向拉伸变形且场强越大,拉伸变形越明显;气泡的脱离长径比随着电场强度和热流密度的增大而变大;气泡的脱离周期随着电场强度和热流密度的增大而减小。这表明电场和热场协同作用有助于减小气泡的停留时间来减小热源于流体之间的热阻,进一步说明电场和热场对沸腾强化传热有一定的影响。

微重力池沸腾中的气泡行为实验研究

采用图像分析方法,对实践十号返回式科学实验卫星沸腾气泡实验项目获得的微重力单气泡过冷沸腾实验图像进行研究,提取并分析了微重力条件下单个气泡的生长过程.实验中观察到气泡激发形成、稳定黏附生长和滑移三个阶段,其中气泡稳定黏附生长又可分为底部扩张与回退两个子阶段.在气泡稳定黏附生长的底部扩张子阶段,气泡半径可以表示为时间的指数函数,时间指数从初期小气泡时的0.42减小到中期的0.28,最终趋于0.气泡尺寸在气泡底部收缩之初略有回调,随后再次缓慢增大,直到过冷液体完全侵入气泡底部,使气泡与加热面脱离,并在外界扰动作用下在加热面上滑移.相关数据可以作为沸腾现象中气泡热动力学分析的依据.

不同重力条件下单气泡池沸腾现象的数值研究

对不同重力条件下常压饱和水中单气泡池沸腾现象的气泡生长过程及传热特性进行了数值模拟.采用简化的润滑流模型计算生长气泡底部微液膜的贡献,而其他宏观区域的气液两相介质则用连续界面模型统一处理.气液界面形状和加热面上接触线的运动分别采用Level Set方法和固定的表观接触角来近似刻画.计算结果表明,气泡生长过程中,当量直径近似与生长时间的1/3～1/2次方成正比,重力对相关趋势的影响不大,但强烈影响着气泡脱落直径和生长时间,其中脱落直径反比于重力的1/3次方,生长时间反比于重力的4/5次方.在固定的核化点数密度条件下,加热面平均热流密度近似与壁面过热度的3/2次方成正比,该趋势并不随重力的减弱而改变.

下沉加热面上气泡微细化沸腾实验研究

为分析加热面相对位置对气泡微细化沸腾(MEB)的影响,对下沉加热面上的过冷沸腾进行了实验研究,并与齐平加热面实验结果进行了对比。25~50K过冷度范围内,在下沉3mm加热面上观察到了MEB现象。在50 K过冷度下,MEB时的热流密度可达5.55 MW/m2。可视化结果表明:在MEB区域,下沉加热面上形成的蒸汽气膜会频繁地膨胀收缩;随过冷度的升高,膨胀收缩的周期增加,而幅值变化较小。此外,相比于齐平加热面条件,下沉加热面周围的壁面可显著限制蒸汽气膜的横向膨胀。

气泡微细化沸腾过程中气泡冷凝破裂现象

为了研究气泡微细化沸腾（MEB）时的气泡动力学行为，利用高速摄像仪（Fastcam SA5）观察15～60 K过冷度范围内，直径10 mm加热面上的沸腾过程。通过引入等效半径，分析核态沸腾、膜态沸腾和MEB区域的气泡行为特征。结果表明：MEB发生时的气泡行为，既不同于核态沸腾，也与膜态沸腾明显不同。在MEB区域，加热面上通常会形成一个大的、不规则气泡，但并不会脱离加热面，而是迅速破碎凝结；而且气泡生命周期相对较小，体积变化速率更快。量纲1分析发现，在MEB区域，随着壁面过热度和热通量的升高，气泡凝缩破裂过程受惯性控制影响程度逐渐增加。

气泡微细化沸腾的沸腾现象与沸腾音特性

发生在过渡沸腾区的微细化沸腾(MEB)以其极高的换热能力日益受到学者们的关注。本文通过傅里叶变换得到了MEB沸腾音的幅度谱,结合MEB实验中获得的壁温和相应的视频数据,对幅度谱进行了分析。结果表明:通过幅度谱上的特征,可以判别加热面上的沸腾模式。在核态沸腾阶段,沸腾现象较微弱,幅度谱波动不明显。在MEB发展阶段,加热面上存在两类沸腾现象,幅度谱以多峰谱为主要特征。当MEB现象显著发生时,幅度谱300–400 Hz范围内会出现一个MEB特征谱峰。该谱峰的形成与气膜生成和破裂周期存在一定关系,过冷度对气膜变化的周期并没有影响。

气泡微细化沸腾传热特性

气泡微细化沸腾(Micro-bubble Emission Boiling,MEB)是一种特殊的过冷沸腾现象,当其发生时加热面的热流密度会远高于临界热流密度(Critical Heat Flux,CHF)。根据采集到的可视化沸腾资料,对MEB的传热机理进行了分析。结果表明,MEB发生时,加热面上不稳定气膜的周期性破裂,破坏了过热液层,导致了良好的气液置换对流换热。考虑MEB的特殊传热过程,对Rohsenow关系式中部分项进行修正,并根据最小二乘法对实验数据进行拟合,得到了适用于10 mm铜加热面上的MEB沸腾关系式,误差不超过±15%,可满足一般的工程计算要求。

气泡微细化沸腾触发温度数值模拟研究

气泡微细化沸腾(MEB)现象具有极高的换热能力,成功工程化应用后将极大提升核电厂中高热负荷设备的安全裕量。本文参照以往研究获得的可视化研究结果,采用Fluent建立相关模型,综合考虑气膜附近Marangoni对流、蒸发冷凝作用以及温度对物性参数的影响,结合数值模拟手段和沸腾不稳定性分析对MEB现象的发生机理进行了研究。结果表明,在不同过冷度下,汽液界面处的蒸汽平均流速随着壁温升高而增大。蒸汽平均流速达到该过冷度下Helmholtz失稳极限速度时对应的壁温与在实验获得的MEB触发壁温十分接近,说明Helmholtz失稳可能是导致MEB现象中气膜发生破裂的原因。

火箭升空大热流下低温贮箱热分层仿真研究

为揭示运载火箭裸壁贮箱内低温推进剂的温度场分布,建立了涵盖流体区与固壁区的耦合仿真模型,实现了地面预增压、升空气动加热、升空增压排液过程的连续预示,对比研究了贮箱侧壁是否绝热对箱内热分层与增压规律的影响。结果表明:预增压阶段的增压效果与箱内气枕区的热力学状态密切相关,延长预增压过程有利于减弱后期压力衰减幅度;裸壁贮箱升空阶段的气动加热会产生强烈的自然对流与热分层,影响液氧温度品质,箱内液氧最高温度可超过93 K;贮箱采用发泡绝热后可显著减弱升空气动热对箱内低温推进剂温度品质的影响。研究工作可为未来火箭低温贮箱的绝热方案设计提供指导。

基于二次核化的沸腾喷雾冷却模拟研究

基于沸腾气泡动力学,完善关于二次核化的喷雾冷却模型,得到的模拟结果表明二次核化是喷雾冷却具有强散热能力的主要原因,雾化颗粒数目已经成为影响沸腾喷雾冷却的最关键因素。研究关于计算气泡的特征时间需要得到二次核化沸腾气泡个数的一些具体方法,对喷雾冷却模拟和机理研究具有指导意义。

浅析如何强化沸腾换热

沸腾换热现象在我们的日常生活里常常见到，比如和我们息息相关的供热锅炉。发电的汽轮机组，航空航天技术的应用，就连我们日常做饭烧菜都会产生沸腾换热现象。影响沸腾换热的因素有哪些呢装置？如何利用沸腾换热为我们服务呢？这是很久以来许多科研人员研究的课题。

过冷度对蒸汽气泡破碎及微气泡喷射过程的影响

为研究过冷度对蒸汽气泡破碎及微气泡喷射过程的影响,利用高速摄像机记录不同过冷度下过冷池中蒸汽气泡凝结过程。实验结果表明:在低过冷度(ΔTsub=17K)下,蒸汽气泡界面波动发展缓慢,气泡不会破碎,而是逐渐分裂凝结;在高过冷度(40K<ΔTsub<75K)下,蒸汽气泡表面上的波动剧烈发展,随后气泡会突然破碎,并形成大量微气泡;在ΔTsub=30K时,气泡突然破碎前会有小气泡分裂现象发生。40K<ΔTsub<75K时气泡破碎形成的微气泡的直径和速度在量级上与气泡微细化沸腾区域的微气泡接近。随过冷度的升高,微气泡的直径减小,速度增加,且蒸汽气泡破碎前其表面上波动的波数迅速增加,波动的最大幅值先增加后减少。

含不凝性气体的蒸汽气泡凝结过程研究

利用高速摄像仪对高过冷度下含不凝性气体的蒸汽气泡冷凝及破裂过程进行可视化研究，以分析不凝性气体对气泡微细化沸腾（MEB）过程的影响。实验结果表明：初始不凝性气体体积份额 x0小于2.5％时，气泡突然破碎成大量微小气泡；x0在2.5％～7.5％之间时，较大气泡只会分裂成数个小气泡；x0大于7.5％时，气泡界面非常稳定，不会发生破碎和分裂现象。此外，当蒸汽气泡中含有较多不凝性气体时，气泡凝结过程减弱，液体对气泡的惯性冲击减小，气泡不易破裂。由此可表明，在气泡微细化沸腾发生时，不凝性气体的存在会阻碍加热面上气泡的破碎，从而降低传热能力。

低温贮箱大热流下两相流态可视化试验

为研究大热流下低温推进剂贮箱箱内流体温度分层与沸腾气泡特征,以液氮为试验流体,搭建了低温贮箱变热流可视化相态观测平台,通过改变吹风温度与吹风速度,实现了1~16 kW·m-2热流边界调节,与火箭升空过程中承受气动热流冲击基本一致。试验结果表明:低温贮箱壁面受大热流作用,并不一定产生沸腾气泡;当壁面热流密度小于2 kW·m-2,直至液体主体过冷度降至1 K时,近壁区才有气泡产生;壁面热流密度达到16 kW·m-2以上后,即使液体主体区过冷度超过10 K,近壁区也可能产生沸腾气泡;当液体主体存在较大过冷度时,火箭升空过程的气动加热仅会造成近壁区出现气泡;在对低温贮箱增压时,提高增压气体注入速率,加快增压进程有利于延缓近壁区液体温升与沸腾发生。此外,建立了一种预测沸腾气泡发生边界的经验模型,可对裸壁贮箱在大热流下是否发生推进剂沸腾提供初步预测,从而为火箭贮箱绝热方案设计提供支撑。

微细化沸腾传热实验研究

气泡微细化沸腾是沸腾到达某个临界热负荷后,加热面温度升高不大,与该临界热负荷相比,热流密度大幅提高的沸腾现象。本文在设计完成一可视化实验装置的基础上,通过高速摄影仪观察并结合采集的壁温数据,对常压下直径为10mm铜加热面上的池式气泡微细化沸腾现象进行了研究,并讨论了液体过冷度对其的影响。实验发现,气泡微细化沸腾状态下,加热面上生成1层极其不稳定的气膜,气液交界面上不停地有大量微小气泡生成并以极高速度射入过冷液体中。随加热面热流密度的增大,气膜厚度波动周期缩短,气膜最大厚度减小,所生成微小气泡的直径也明显减小。实验中获得的最高热流密度达9MW/m2。

微重力单气泡沸腾实验研究

基于SJ-10返回式科学实验卫星单气泡沸腾(SOBER-SJ10)实验装置正交双CCD观测系统特征,开发了基于双目视觉算法的图像分析方法,对空间微重力环境单气泡沸腾实验模式下气泡生长过程进行了定量分析。基于加热面局部温度测点数据,分析了微重力单气泡生长过程中底部温度和热流密度的演化特征。微重力条件下,气泡底部接触线区域维持了高效的相变换热,通过底部接触线区域的蒸发-顶部气液界面的冷凝维持了微重力单气泡沸腾传热。图像与科学数据分析结果,包括微重力条件下单个气泡生长过程中气泡形态演化特征与生长气泡底部局部传热等数据,不仅揭示了微重力沸腾传热性能得以维持的细观机制,也为进一步发展沸腾气泡模型提供了可资校验的实测数据。

加热面边界条件对MEB形成过程的影响

为研究加热面周围边界条件对气泡微细化沸腾的影响,结合实验与数值模拟对加热面低于水箱底面0.5 mm以及与之齐平两种条件下加热面上气泡行为和气泡周围流场进行对比分析。实验结果表明,50 K过冷度下,加热面齐平时,会发生旺盛的MEB现象,而对于加热面下沉时,微细化沸腾现象不发生。数值分析表明,加热面下沉时,气泡周围Marangoni对流被减弱,且气泡顶部的冷凝被大幅削减。这使得气泡稳定地在加热面上形成并逐渐长大,无法形成微细化沸腾现象。因此,气膜周围的Marangoni对流和气液界面上的冷凝过程可能是导致微细化沸腾发生的主要原因。

微气泡发射沸腾形成机理

为了探究具有超高换热性能的微气泡发射沸腾现象的形成机理,采用FLUENT软件对加热面上单个气膜周围的速度场进行数值模拟,并与实验结果进行对比.实验结果表明,对于水,微气泡发射沸腾现象发生时,加热壁面上会出现气膜破裂的过程,并且过冷度和壁面过热度的升高会加剧这一过程.对于酒精,微气泡发射沸腾现象很难发生.计算结果表明,在过冷条件下气膜周围存在marangoni对流,对于水而言,过冷度和壁面过热度的升高会增强气膜周围的marangoni对流过程,而在酒精气膜周围marangoni对流相对较弱.因此由气膜周围强烈的marangoni对流过程引起的气液界面上的扰动可能造成气膜破裂,这可能是微气泡发射沸腾现象形成的原因之一.

加热面边界条件对 MEB 形成过程影响的分析

为研究加热面周围边界条件对气泡微细化沸腾的影响，结合实验与数值模拟对加热面低于水箱底面 0.5 mm 以及与之齐平两种条件下，加热面上气泡行为和气泡周围流场进行对比分析。实验结果表明，50K 过冷度下，加热面齐平时，会发生旺盛的 MEB 现象，而对于加热面下沉时，微细化沸腾现象不发生。数值分析表明，加热面下沉时，气泡周围 Marangoni 对流被减弱，且气泡顶部的冷凝被大幅削减。这使得气泡稳定地在加热面上形成并逐渐长大，无法形成微细化沸腾现象。因此，气膜周围的 Marangoni 对流和气液界面上的冷凝过程可能是导致微细化沸腾发生的主要原因。